Nature Communications | 北京大学现代农业研究院团队揭示果胶降解调控内复制进程和叶片表皮细胞大小的遗传机制

摘要：植物中广泛存在着内复制机制，即核DNA在没有有丝分裂的情况下复制的过程。内复制过程与细胞体积相关，而细胞体积增大时初生细胞壁需要重塑。然而，这两个过程如何协同配合以确定细胞大小的机制仍不清楚。近日，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室/小麦育种全国

植物中广泛存在着内复制机制，即核DNA在没有有丝分裂的情况下复制的过程。内复制过程与细胞体积相关，而细胞体积增大时初生细胞壁需要重塑。然而，这两个过程如何协同配合以确定细胞大小的机制仍不清楚。近日，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室/小麦育种全国重点实验室李磊研究员团队在Nature Communications期刊在线发表了题为“The CIN-TCP transcription factors regulate endocycle progression and pavement cell size by promoting cell wall pectin degradation”的研究论文，揭示了果胶降解调控内复制进程和叶片表皮细胞大小的遗传机制。

TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF（TCP）基因编码植物特异性转录因子，在控制细胞生长和植物结构中起着至关重要的作用。根据TCP结构域的差异，tcp蛋白分为Ⅰ类和Ⅱ类，而Ⅱ类进一步分为CIN分支和CYC/TB1分支。在拟南芥中，CIN-TCP分支由八个成员（TCP2、3、4、5、10、13、17和24）组成，它们是有丝分裂周期的关键调节因子。本研究利用tcpΔ7七重突变体进行探究，发现tcpΔ7叶片细胞面积显著减小，核内复制进程受阻，几乎无法从8C增加到8C以上（图1）。

图1:CIN-TCPs 促进细胞扩张和内复制进程

进一步研究发现tcpΔ7中细胞壁果胶含量显著上升，通过转录组分析发现CIN-TCP转录激活降解果胶的聚半乳糖醛酸酶1（PGL1），从而下调细胞壁果胶水平。在tcpΔ7 PGL1-OX双重突变体中，叶片细胞面积增大，16C等高倍细胞占比上升。以上结果说明CIN-TCP通过PGL1促进细胞壁上果胶降解，而果胶减少后促进了内循环进程和细胞扩大（图2）。

图2: PGL1回补了tcpΔ7的内复制进程缺陷并促进叶片增大

同时，团队利用前期研究结果发现，一类调控果胶合成的miR775，过表达MIR775后叶片能够显著增大，其内复制进程8C到16C高倍性转变加剧。由此，本研究通过两条不同的调控通路证明了内复制进程受果胶调控（图3）。本研究揭示了果胶在调节内复制中的关键作用，为理解植物细胞生长和器官发育提供了新的见解。本研究结果将进一步完善细胞壁重塑调控核内复制的网络，为核内复制调控网络增添了一个新的节点，完善“细胞周期调控”与“细胞壁动态重塑”两大领域的交叉研究成果，为植物发育生物学提供新的理论框架。

图3:果胶调控内复制进程的模型图

李磊课题组以miR775为切入点围绕细胞壁果胶调控进行了一系列系统性工作，揭示了HY5-miR775-GALT9通路控制器官大小（Zhang et al., 2021 Plant Cell 33:581-602）并能快速响应环境变化调控植物暗转光过程中下胚轴生长速率的作用机制（Zhang et al., 2025 Current Biology 35:699-707）。同时结合PGL1调控内复制进程的作用，进一步拓展了细胞壁果胶对细胞生长发育的重要意义，构建细胞内复制、细胞扩张、细胞壁重塑三位一体的调控体系，为深入理解核内分子网络与细胞内外协同生长提供了实验佐证与理论参考。

北京大学生命科学学院已毕业博士沈凤，北京大学现代农业研究院访问学者、北京大学现代农学院博士后张禾为本文共同第一作者，张禾博士与李磊研究员为本文共同通讯作者。北京大学现代农业研究院访问学者、北京大学现代农学院博士后万苗苗、肖亮，北京大学现代农业研究院杨彦芝、北京市农林科学院匡正，北京大学生命科学学院研究生左大庆、李展，北京大学生命科学学院秦跟基教授等对该论文亦有重要贡献。该研究得到了北京大学国家蛋白质科学中心李桂澜、胡君，小鳄生物技术（苏州）有限公司王国强的技术支持以及国家自然科学基金和泰山学者计划的资助。